Hart und ultrakurz

Kurze Röntgenpulse eignen sich hervorragend, um die Dynamik von Elek­tronen zu ver­folgen und damit grund­legende chemische und magne­tische Prozesse auf­zu­klären. Mittler­weile gibt es mehrere Ver­fahren, um extrem kurze Röntgen­pulse im Femto­sekunden­bereich zu erzeugen. Besonders bril­lante Strahlen lassen sich an Freie-Elek­tronen-Lasern her­stellen. Hierzu schickt man ein Elek­tronen­paket durch einen Undu­lator. In dessen Magnet­feld werden die Elek­tronen durch selbst­ver­stärkende spontane Emission zum Lasing ange­regt. Dabei laufen die Elek­tronen und der Laser­strahl zusammen durch den Undu­lator, bis die Elek­tronen seit­lich heraus­bewegt werden und der ent­standene Laser­puls durch ent­spre­chende Optiken auf die Experi­mentier­stationen gelenkt wird.

Die Länge des entstehenden Röntgenpulses hängt dabei stark von der Länge der lasenden Elek­tronen­pakete ab. Heute lassen sich bereits sehr kurze Elek­tronen­pakete erzeugen: Die Pakete, die man heute durch Freie-Elek­tronen-Laser schicken kann, sind typischer­weise nur noch einige Dutzend Femto­sekunden lang. In einem solchen Elek­tronen­paket herrschen Dichte­fluktua­tionen, die dazu führen, dass einige Bereiche des Pakets ver­stärkt Laser­strahlung aus­senden, andere hin­gegen nicht. So finden sich in einem FEL-Röntgen­laser­puls durch­aus einzelne Peaks mit einer typischen Länge von nur zwei- bis drei­hundert Atto­sekunden, aller­dings sind mehrere solche Peaks über etliche Femto­sekunden ver­teilt. Ein Forscher­team vom Stan­ford Linear Accele­rator Center SLAC in den USA hat des­halb eine neue Methode ent­wickelt, um starke und extrem kurze Röntgen­pulse zu erzeugen.

Die Forscher nutzten die Linac Coherent Light Source LCLS am SLAC. Hier werden Elek­tronen über eine Strecke von einem Kilo­meter beschleu­nigt und wandeln ihre Energie in einem 130 Meter langen Undu­lator­ab­schnitt teil­weise in Röntgen­strahlung um. Dabei ent­stehen bis zu 120 Röntgen­pulse pro Sekunde mit einer typischen Puls­länge von achtzig Femto­sekunden – kurz, aber für viele Prozesse wiederum nicht kurz genug.

Eine Möglichkeit für kürzere Laserpulse bestünde darin, möglichst kurze Elek­tronen­pakete zu erzeugen. Auf­grund der wechsel­seitigen Abstoßung laufen diese aller­dings aus­ein­ander, was die Wirk­sam­keit dieser Methode begrenzt. Den Wissen­schaftlern am SLAC gelang es jetzt jedoch, eine neue Modu­lations­technik umzu­setzen, die auf nicht­linearer Kompres­sion beruht. Die Idee besteht darin, das Elek­tronen­paket so zu „schnüren“, dass nur ein kleiner Bereich des Elek­tronen­pakets energie­reich genug ist, um effek­tiv zum Lasing bei­tragen zu können.

„Bei unserem Ansatz haben wir die Ansteuerung einfach so umkon­figu­riert, dass wir die Elek­tronen­pakete nicht­linear kompri­mieren, was eine stabile Spitze hoher Elek­tronen­dichte erzeugt“, sagt Yuantao Ding, in dessen Team die neue Technik ent­wickelt wurde.

Dazu entwarfen die Forscher eine spezielle Ansteuerung der Kavi­täten, in denen die Elek­tronen­pakete mit Radio­wellen zunächst beschleu­nigt und dann kompri­miert werden. Dabei laufen die Elek­tronen­pakete durch mehrere „Schikanen“, wobei sich die die Dichte der Elek­tronen im vorderen Bereich der Elek­tronen­pakets erhöht, während am hinteren Ende ein längerer „Schwanz“ mit gerin­gerer Dichte folgt. Im Undu­lator führt dann nur die Spitze des Pakets zum Lasing, so dass nur ein ein­zelner Peak mit einer Dauer von wenigen hundert Atto­sekunden ent­steht. Sowohl bei 5,6 als auch bei 9 Kilo­elek­tronen­volt konnten die Forscher Puls­längen um die zwei­hundert Atto­sekunden aus­machen, wobei die Dauer bei höherer Energie etwas kürzer war, sich jedoch im Rahmen der Mess­unschärfe noch über­deckte. Die Energie­unschärfe lag bei nur rund zehn Elek­tronen­volt.

Eine andere Möglichkeit, extrem kurze Pulse im Attosekunden­bereich zu erzeugen, besteht in der Nutzung hoher Harmo­nischer. Mit Hilfe dieser Technik lassen sich vor allem Infra­rot­pulse hin zu höheren Energien und kürzeren Pulsen modu­lieren. Damit gelangt man durch­aus bis hin zu einigen hundert Elek­tronen­volt. Im Bereich der Röntgen­strahlung sind solche hohen Harmo­nischen zwar noch nach­weis­bar, die Pulse sind aller­dings zu schwach, um mit ihnen sinn­voll arbeiten zu können.

Die neue Methode der Wissenschaftler aus Stanford zeigt nun einen Weg auf, ohne größere Modifi­ka­tionen auch an anderen Freie-Elek­tronen-Lasern ultra­kurze Röntgen­pulse zu erzeugen. Der Vor­teil der neuen Methode: Einer­seits beruht er auf etab­lierter FEL-Hard­ware und lässt sich ohne kost­spielige Um­rüstungen auch an anderen Freie-Elek­tronen-Lasern implemen­tieren. Anderer­seits ist sie grund­sätz­lich für unter­schied­liche Energie­bereiche geeignet und erlaubt damit einen maß­geschnei­derten Ein­satz.

Im weicheren Röntgenspektrum dürften die Pulse jedoch ein wenig länger aus­fallen als im harten. Während die Forscher im gesamten Bereich von vier bis zehn Kilo­elek­tronen­volt ähn­lich kurze Puls­längen von rund zwei­hundert Atto­sekunden erwarten, sollten weiche Röntgen­pulse rund eins bis zwei Femto­sekunden dauern.

Für viele Anwendungen sind weiche Röntgenpulse zwar besser geeignet als harte, da in diesem Energie­bereich zahl­reiche atomare Reso­nanzen auf­treten. Aber auch mit harten Röntgen­pulsen lassen sich viele wissen­schaft­liche Fragen bear­beiten. An der LCLS sollen Nutzer in Zukunft von den kurzen Pulsen profi­tieren können. Die Forscher um Ding planen deshalb als Nächstes, die Präzi­sion der Zeit­messung und die Stabi­lität weiter zu erhöhen.

Dirk Eidemüller

RK